CN111052279A - 高能量密度电容器及无线充电系统 - Google Patents

高能量密度电容器及无线充电系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111052279A
CN111052279A CN201880049999.5A CN201880049999A CN111052279A CN 111052279 A CN111052279 A CN 111052279A CN 201880049999 A CN201880049999 A CN 201880049999A CN 111052279 A CN111052279 A CN 111052279A
Authority
CN
China
Prior art keywords
capacitor
organic solvent
dielectric material
layer
polar organic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201880049999.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111052279B (zh
Inventor
爱德华·L·戴维斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Frisch Power Capacitor Co Ltd
Original Assignee
Frisch Power Capacitor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US15/942,705 external-priority patent/US20190035562A1/en
Application filed by Frisch Power Capacitor Co Ltd filed Critical Frisch Power Capacitor Co Ltd
Priority claimed from PCT/US2018/034683 external-priority patent/WO2018218164A1/en
Publication of CN111052279A publication Critical patent/CN111052279A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111052279B publication Critical patent/CN111052279B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G11/00—Hybrid capacitors, i.e. capacitors having different positive and negative electrodes; Electric double-layer [EDL] capacitors; Processes for the manufacture thereof or of parts thereof
    • H01G11/54—Electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
    • H01G4/33—Thin- or thick-film capacitors 
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004—Details
    • H01G9/022—Electrolytes; Absorbents
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004—Details
    • H01G9/07—Dielectric layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00—Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40—Capacitors
    • H01L28/60—Electrodes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fixed Capacitors And Capacitor Manufacturing Machines (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)

Abstract

一种高能量密度电容器，包含基底、正电极、负电极、多个中间介电层以及沉淀在每个中间介电层上的金属层。每个中间介电层都包含高表面积介电材料、电解液以及沉积在基底上的极性有机溶剂的顺序层。所述多个中间介电层和金属层被串联部署以形成堆叠，并且在每个堆叠之间都布置有至少一个内部钝化层。正负电极沿着电容器的高度延伸，并且在其边缘周围具有交替部署的极。中间介电层的偶极子与充电时正负电极之间产生的电场方向相反地对准。

Description

高能量密度电容器及无线充电系统
技术领域
本发明的实施例一般涉及能量存储和无线充电系统。
背景技术
电容器中的势能被存储在电场中，而电池则以化学形式存储势能。目前，化学存储技术产生的能量密度高于电容器(每单位重量能够存储更多的能量)，但是电池需要更长的充电时间。
先有技术的超级电容器的能量密度远远低于市场上任何现代化学的同等尺寸的电池。目前市面上可获得的最高能量密度的超级电容器是6瓦时/千克的Maxwell。电池诸如锂离子超过100瓦时/千克。
在许多应用中(例如电动车辆和其它运输模式，包括飞机或火车、手机、公用事业备用存储器、风车和任何其它类型的电力设施)，明显需要高能量密度的电容器来取代电池，因为电容器可被快速充放电并且持续几千、甚至几百万循环。然而，电池通常充电非常慢，并且最多只能持续几千次完整的循环，如果每次循环放电超过百分之五十(50％)则要少得多。此外，电容器没有危险，也没有任何通常与电池相关的安全问题。
已知的无线充电方法通常依赖于感应技术。然而，空心变压器损耗大、效率低。由于电容器取代了电池，因此需要更有效的充电方法，因为电容器的充电速度通常是电池的10倍以上。
从充电牙刷到手机再到电动车辆(EV)。这些旧方法是可以容忍的，但有一个巨大的未服务的需求，就是更快、更有效地为电器和车辆充电。
发明内容
考虑到先有技术的问题和不足，因此本发明的目的是提供具有更高能量密度的改进电容器。
本发明的另一个目的是提供具有三维介电表面的改进电容器。
本发明的另一个目的是通过大幅增加介电常数“k”来提供改进的电容器，同时缩小板之间的距离。
本发明的另一个目的是提供一种利用标准半导体制造技术形成电容器的改进方法，通过添加辅助仪器来帮助极化对准。
本发明的另一个目的是提供一种改进的电容式无线充电系统，其用快速充电、高效率的电容式充电系统取代慢速充电、低效率的充电系统。
本发明的另一个目的仍然是提供一种电容式无线充电系统，其包括超介电材料(UDM)层，既作为电容器上的电介质，又作为耦合充电垫的缓冲层。
本发明的其它目的和优点在一定程度上是显而易见的，并且根据说明书将变得清晰。
本发明涉及一种高能量密度电容器，其包含基底和布置在正电极和负电极之间的至少一个介电层，本发明所实现的上述以及其它目的对于本领域技术人员来说是显而易见的。在每个介电层上都沉积有金属层，用于附接电极的极。正负电极沿着电容器的高度延伸，并在其边缘周围交替部署极，使得正负电极被附接到沉积在每个中间介电层上的周期性金属层。每个中间介电层都被极化，使得其偶极子与充电时正负电极之间产生的电场相反的方向对准。
在一个或多个实施例中，本发明的电容器是多层电容器，其包含布置在每个电容器堆叠之间的内部钝化层，其中堆叠由串联部署的多个中间介电层和金属层组成。
每个中间介电层由高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂组成，并且通过使用半导体制造技术将高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂的顺序层沉积到基底上而形成。高表面积介电材料的介电常数在约109至约1011的范围内。
在一个或多个实施例中，极性有机溶剂可以是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。在其它实施例中，极性有机溶剂可以是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。每个中间介电层可由约百分之三(3％)至约百分之二十(20％)电解质、约百分之三(3％)至约百分之二十(20％)介电材料以及约百分之六十(60％)至约百分之九十四(94％)极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
在另一方面，本发明涉及一种形成高能量密度电容器的方法，其包含：提供基底，提供布置在基底上的正电极以及与正电极相对的负电极，提供布置在正负电极之间的至少一个中间介电层，并且提供沉积在每个至少一个中间介电层上的金属层。每个中间介电层都由高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂组成，并且通过使用半导体制造技术将高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂的顺序层沉积到基底上而形成。
方法可包含定位正负电极以沿着电容器的高度延伸，使得电极的极围绕其边缘呈交替部署，并且将正负电极附接到沉积在每个至少一个中间介电层上的周期性金属层。每个中间介电层的偶极子都可被对准，使得极化介电层对抗充电时在正负电极之间产生的电场。
在一个或多个实施例中，方法可包括提供多个串联部署的中间介电层和金属层以形成堆叠，并且提供布置在每个堆叠之间的至少一个内部钝化层。
在一个或多个实施例中，中间介电层中的极性有机溶剂可以是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。在其它实施例中，极性有机溶剂可以是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。
在另一方面，本发明涉及电容式无线充电系统，包含外部交流电源和发射器充电板，其包含涂覆有介电材料层的发射器垫和用于从外部交流电源接收的交流电源产生磁场的发射线圈，连接到发射器充电板的外部交流电源。系统还包括电器设备，其包含用于向电器设备供电的存储电容器，包含涂覆有介电材料层的接收器垫的接收器充电板，用于从充电板发射线圈产生的磁场接收能量的接收线圈，以及用于将从磁场接收到的能量转换为电流以对存储电容器充电的控制模块。RFID传感器可被布置在发射器充电板和电气设备接收器充电板之间，RFID传感器适于确保充电板的正确对准。在一个实施例中，在充电垫上可能有接近传感器，用于检测电气设备何时接近发射器充电板。
覆盖每个发射器垫和接收器垫的介电材料层可包含高表面积介电材料、电解质和极性有机溶剂。高表面积介电材料的介电常数可在约109至约1011的范围内。极性有机溶剂可以是从NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂，或者从C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。介电层可由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
在另一方面，本发明涉及一种用于电气设备的电容式无线充电系统的充电垫，该充电垫涂覆有介电层，其包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂，用于在电容式无线充电系统的发射器侧或接收器侧充电板上或内部布置的充电垫。高表面积介电材料的介电常数可在约109至约1011的范围内。极性有机溶剂可以是从NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂，或者从C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。权利要求19中的e无线充电系统，其中介电层是由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
在另一方面，本发明涉及一种对电容器进行无线充电的方法。方法包含提供发射器充电板，其包含涂覆有介电材料层的发射器垫和用于从外部交流电源接收的交流电源产生磁场的发射器线圈，并且提供电器设备，其包含用于向电器设备供电的存储电容器，包含涂覆有介电材料层的接收器垫的接收器充电板，用于从充电板发射线圈产生的磁场接收能量的接收线圈，以及用于将从磁场接收到的能量转换为电流以对存储电容器充电的控制模块。方法还包含将电器设备接收器充电板与发射器充电板对准，向发射器充电板提供外部交流电源，通过发射线圈从交流电源产生磁场，从接收线圈处的磁场接收能量，并且将从磁场接收到的能量转换为电流来对电容器充电。
涂覆每个发射器垫和接收器垫的介电材料层可包含高表面积介电材料、电解质和极性有机溶剂。高表面积介电材料的介电常数可在约109至约1011的范围内。极性有机溶剂可以是从NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂，或者从C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。介电层可由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
附图说明
在所附权利要求中，对本发明被认为是新颖的特征以及本发明的要素特征进行了特别阐述。这些数字仅供说明，而不是按比例绘制。然而，关于操作的组织和方法，本发明本身可以通过参考下面结合附图的详细描述得到最佳地理解，其中：
图1描绘了根据本发明公开实施例的带有金属和介电层的晶圆或面板。
图2描绘了根据所公开的实施例在本发明串并联阵列中的电容器。
图3描绘了本发明的电容器，其在设备边缘周围具有交替的阳极和阴极部署，以便在最小有效串联电阻(ESR)的情况下快速进出电荷。
图4描绘了根据本发明实施例的电容器的介电表面积，其中表面积“A”是三维(3D)表面积，而不是二维(2D)。
图5描绘了根据本发明公开实施例的电容器的电容器层结构。
图6描绘了根据本发明实施例的用于形成电容器的示例性工艺中的沉积腔室。
图7描绘了根据本发明实施例的用于形成电容器的第二示例性工艺中的沉积腔室。
图8描绘了根据本发明公开实施例的电容式无线充电系统的示意图。
图9描绘了根据本发明公开实施例的电容式充电系统板和垫部署的一个实施例。
图10描绘了根据本发明公开实施例的电容式充电系统自动定位伺服系统的一个实施例。
具体实施方式
在描述本发明的实施例时，这里将参考附图1-10，其中相似的数字表示本发明相似的特征。
本发明的高能量密度电容器提供了一种快速充电、长寿命的电容器取代缓慢充电、短寿命的电池的解决方案。本发明形成单个或多个电容器的方法采用原子层沉积(ALD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、电喷雾、溅射、3D打印和其它半导体制造设备，以便生产亚微米薄层，并能生产至少十二(12)英寸晶圆和/或矩形基底，诸如用于LED面板的基底，其可用于多种代次和尺寸。晶圆也可以被锯成任何形状或尺寸并堆叠到任何高度。
本发明利用这些优势，利用ALD机器大型阵列和其它标准半导体制造机械、3D打印和机器人自动化，每天应用多达数千层，以便大规模生产任何形状或尺寸的电容器。
目前电池相比先有技术电容器的主要优点是能量密度。本发明的电容器消除了这种障碍。
本文使用的某些术语仅为方便起见，不应视为对本发明的限制。例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“垂直”、“向上”和“向下”等词仅仅描述了附图中所示的配置。为了清楚起见，在图纸中可使用相同的参考数字来识别相似的元件。
此外，在主题描述中，“示例性”一词用于表示用作示例、实例或说明的意思。本文中描述为“示例性”的任何方面或设计不一定要被解释为优于或有利于其它方面或设计。相反，使用“示例性”一词仅仅是为了以具体的方式提出概念。
现在参考图1，示出了本发明的示例性高能量密度电容器。电容器包括晶圆或基底，其上沉积有交替的金属和介电层，还包括正电极100、负电极101和五(5)个电容器102的“堆叠”，其使得25伏堆叠在单一实例化电容的五分之一(1/5th)处，因为五个是一系列的。本领域技术人员应当理解，所示的由五个电容器组成的“堆叠”仅用于示例性目的，并且可以串联实现任意数量的电容器，以实现每个设计要求所需的电压，如下所述。钝化层103或绝缘体隔离“堆叠”102。根据本发明公开的实施例，金属层104、超介电材料(UDM)层105，以及基底或晶圆106完成组装。
图2描绘了根据所公开的实施例，多个电容器如何被组织成串并联阵列。电容器201是由UDM和金属层形成的单个电容器。堆叠202描绘了五(5)个串联电容器的堆叠。串联电容器会降低电容，但必须增加电压。作为本文的示例，每个电容器201的额定电压为5伏，因此堆叠202的额定电压高达25伏，尽管只是单个电容器的电容的五分之一(1/5th)。由于并联电容器的总和，所以总电容通过并联部署堆叠阵列而增加。在实现所需的能量存储水平之前，可以创建多达n个堆叠203。
电容被定义为：
C＝(kε0A)/d
其中：
C＝电容(法拉)
K＝介电倍数
ε0＝介电常数
A＝板面积(m2)
D＝板间距离(μm)
本发明通过大幅增加介电常数“k”，同时缩小板之间的距离来产生高电容EDLC型电化学电容器。
现在参考图3，示出了围绕电容器设备边缘的电容器的交替阳极300和阴极301极部署。以这种方式交替的极允许以最小的有效串联电阻(ESR)快速地充放电。在较大的电容器中，附加的正负电极可被间歇地分散在电容器设备的内部，并且可被部署在设备的中心周围。如图3的侧视图所示，电极沿着电容器阵列的整个高度延伸，即使这些极仅周期性地附接到金属层。在一个实施例中，电极301被附接到每个第五层(如图1所示)，以实现25伏堆叠。未连接的层可以被遮盖以在金属层501和电极300、301之间形成间隙。
图4描绘了本发明电容器的实施例的介电表面积。特别要注意的是，表面积“A”是三维(3D)的表面积，而不是2D的。导电原子的原子层紧贴在介电原子周围，形成三维结构，其产生比2D高得多的表面积。这是3D表面积，在这种情况下，它是一束半球体的表面积，即，1/2*(4πr2)乘以长乘宽区域中的原子或分子数。
图5描绘了本发明电容器的一个实施例的电容器层结构，包含阳极和阴极金属层501，高表面积介电材料(例如二氧化硅)层并且正负原子层被布置在其间。图5描绘了介电层500中的偶极子502如何与电容器的电场503对准，但方向相反，其导致总场的减小，并且电容器在给定电压/施加场下能够保持总电荷量的增加。结果，在正负电极501上可以积聚更多的电荷。物理上的“k”是由介电层500可以经历的极化程度来确定的，换句话说，在“N”类型和“P”类型原子层中有多少偶极子502可用于减小电容器上的外场，从而允许在板上存储更多的电荷。
金属原子及其导带和自由电子紧贴在介电层顶部的半球表面周围(图4)。如下文将更详细描述的，使用成对的高压板来对准偶极子，介电层变为“驻极体”，相当于磁铁；然而，本发明的高能量密度电容器不对准磁畴，而是包含对准电偶极子磁畴。
本发明通过最大化工作电压来优化能量密度。一些极性有机溶剂的击穿电压比蒸馏水高三(3)到四(4)倍，有些在微米厚度的5V范围内。相比之下，蒸馏水击穿电压将每个电池的工作电压限制在0.8至1.2伏。本发明还包含用电偶极子材料、驻极体取代极性质子溶剂，其被沉积并且对准以对抗电容器充电时产生的主电场。
本发明的一个优点是，每个电容器都可具有远小于1微米(μm)的厚度，以便在增加电容的同时优化能量密度。
在一个实施例中使用的超介电材料(UDM)包含下表1中的极性有机溶剂、下表2中的电解液以及下表3中的高表面积介电材料的组合。在一个实施例中，极性质子溶剂用于其高介电常数和高偶极矩。在其它实施例中，极性非质子溶剂也能很好地工作，例如DMSO、KCl和SiO2或DMSO、NaCl和SiO2，因此本领域技术人员应理解，本发明包括替代极性质子溶剂的极性非质子溶剂的替代成分。
表1：极性质子/非质子溶剂
Figure BDA0002379076720000091
表2：电解液材料
电解液材料
NaCL
NH<sub>4</sub>CL
KCl
表3：高表面积介电材料
Figure BDA0002379076720000092
在一个示例性实施例中，氨(NH3)用作极性质子溶剂，NH4CL是电解质，而二氧化硅是高表面积介电材料。
在一个实施例中，这些材料分别以序列层被沉积在晶圆或基底上，以使用半导体处理装置和/或3D打印机形成半微米(0.5μm)的UDM材料层105。随后在UDM层105的顶部沉积四分之一微米(0.25μm)的金属层104。这在交替工艺中重复，直到五(5)个完整的UDM/金属夹层完成，从而形成25伏堆叠102。
这三种UDM化合物顺序以约百分之三(3％)至约百分之二十(20％)电解质(表2)、约百分之三(3％)至约百分之二十(20％)介电材料(表3)以及约百分之六十(60％)至约百分之九十四(94％)极性有机溶剂(表1)的摩尔百分比形成。
这些UDM化合物在108到1011范围内产生介电“k”值。
下表4显示了使用六(6)英寸晶圆的本发明电容器的一个实施例的高能量密度，并且假设k在大约1010范围的中间点。在此示例中，UDM介电层厚度为.5μm。五层串联的堆叠形成25伏的电容器。该实施例仅产生100个堆叠的56.1kWh容量。
表4：中间“k”范围内的六英寸晶圆
k ε<sub>0</sub> A d F/Iyr Lyrs F/stk ParStks FTotal J＝CV<sup>2</sup>/2 kWh
1.00E+10 8.85E-12 0.182415 5.00E-07 3.23E+04 5 6460.5 100 646,055 201,892,084 56.1
在一个实施例中，使用的气相二氧化硅是7nm Aldrich粉末。
根据本发明制造的电容器，即使在深放电率(例如，80％的放电深度“DoD”)下，其寿命周期也可超过1000000个循环。每个电容器完全充电的充电时间大约为30秒。
在晶圆或面板被加工后，电容器可被锯成各种形状和尺寸，并使用活性炭、石墨烯或其它类型的电极被放入最终包装中。
这些电容器可用于电动车辆(EV)中，并使用电容式无线充电系统进行充电，如下文所述，其可以容易地被安装在现有的服务站中。本发明改进的高能量密度电容器的其它应用不仅包括车辆，还有其它运输模式，包括飞机或火车、公用设施备用存储器、风车和任何其它类型的电气设施。
在另一个实施例中，晶圆或基底可以是十二(12”)英寸(～300mm)，但是任何尺寸的晶圆甚至矩形LED面板将在ALD、MOCVD和其它半导体或3D打印系统中工作。最多370mm x470mm的面板可被用来制作矩形电容器。本发明进一步设想，将来可以使用可获得的更大的面板。
在根据本发明的一个实施例中，是表1中乙二醇和极性有机助溶剂的双溶剂混合物。硼酸与羧酸溶于这种混合物中。
图6示出了根据本发明实施例的用于形成电容器的示例性固态工艺中的沉积腔室。通过沉积一层极化介电材料并用高压板对准偶极子，在每个介电层中都形成偶极子结构。这个工艺在每个电容器中需要最少的层。
电容板被放置在腔室外部的沉积腔室上方和下方，并且施加高压直流电。一个电容板承受高正电压，而另一个承受高负电压，以确保在施加每个后续层时偶极子保持对齐。在离子沉积工艺中，氧化层中的小偶极子在电场的相反方向上对准。每一层完成后，在外部电场被消除后，偶极子将保持对准。因此，介电“k”值增加了几个数量级，并且击穿电压增加了一个数量级或更多，超过了常规预期。这种固态沉积工艺的优点是可以形成许多层来制造非常大的电容器。
现在参考图7，示出了用于形成本发明的高能量密度电容器的第二、不同固态工艺中的原子层沉积(ALD)腔室。在此工艺中，首先在p电极606上方沉积一层电介质605，然后是一层n离子604、另一层电介质603、一层p离子602，以及另一层电介质601以将p离子与n电极600绝缘，从而在离子和电介质交替层的夹层中形成偶极子结构。这个工艺要求每个电容器都有更多的层。
如图7所示，晶圆或基底被放置在沉积腔室的底部，并与正电极或p电极对准。第一层离子通过向腔室注入离子气体并在腔室内基底或晶圆下方放置高压板，以及在腔室上方和外部放置具有相反电压的高压板来沉积，以通过施加直流电压来产生强电场。施加的电场越强，离子层可被包裹的密度就越大。接下来，在移除电场之前，将腔室清空，并施加介电层以保持离子(可能需要多达五个原子层)。随后用正离子气体充满腔室，使板上的电压反向。当正离子靠近介电层时，介电层下方的负离子会吸引正离子并在其头部对准，从而产生更小的偶极子。在每个连续的层上，反转腔室板电压的工艺被重复，必要时选择另一电离尖端。本发明进一步设想，正负离子可被裸电子和质子的混合物取代。在另一实施例中，电喷雾可用于沉积离子层。
可以预期，可以使用其它低成本、高保真度的方法来沉积介电层。例如，适于产生适当厚度的介电层的技术包括旋涂、喷涂或丝网印刷。一般来说，滚涂法被认为是合适的。
进一步设想，如上所述的超介电材料(UDM)层，至少包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂，也可以用作耦合充电垫的缓冲层，作为电容式无线充电系统的一部分。
图8描绘了根据本发明实施例的电容式无线充电系统的示意图。如图8所示，根据本文公开的实施例，电容式无线系统的发射器侧一般表示为105，而接收器侧一般表示为106。无线充电系统的发射器侧105包含发射器充电板101，包括至少一个发射器垫和发射器线圈，用于从外部交流电源接收的交流电源产生磁场。在示例性实施例中，当计算机激活继电器时，发射器交流输入端子A、B从电网接收交流电(AC)。类似地，无线充电系统的接收器侧包含接收器充电板104，并且包括至少一个接收器垫和接收器线圈，用于从充电板发射线圈产生的磁场接收能量，以及用于将从磁场接收到的能量转换为电流以对存储电容器充电的控制模块。如图8所示，发射器侧充电板和垫部署一般示于102，而接收器侧充电板和垫部署一般示于103。能量通过电感耦合原理从发射线圈传输到接收线圈，以便为存储电容器供电。本领域技术人员应当知道感应耦合的机理，因此本文不包括具体描述。
在至少一个实施例中，每个充电板101、104包含两个大电容充电垫，如图9所示，其中每个充电垫102、103都由金属制成，并且涂覆有高“k”介电材料。在一个实施例中，介电垫可由上表3中的一种电介质构成，以产生超介电材料(UDM)层，其包含上表1中的极性有机溶剂和上表2中的电解液的组合。这是一种高“k”电介质，但它也用于将发射器垫102耦合到接收器垫103时的缓冲。这种高“k”介电材料提供耦合到接收器垫104的高电容，这显著降低了电容电抗Xc。
电容电抗被定义为：
Xc＝1/(2∏fC)
其中：
Xc＝电容电阻(欧姆)
π(pi)＝3.142或22/7
f＝频率(Hz)
C＝电容(法拉)
在本发明的无线充电系统的一个实施例中，充电垫102、103是12英寸x 12英寸，因此使用聚二茂奎宁自由基(PAQR)聚合物用于垫的电容是：C＝(kε0A)/d
k ε<sub>0</sub> A d C
300,000 8.85E- 0.092903 5.00E- 4.94法拉
因此，60Hz时的电容电抗(Xc)为：Xc＝1/(2∏fC)，
2∏ f C X<sub>c</sub>
6.28319 60 4.94 0.000537欧姆
并且发射100安培时的功率损耗为P＝I2R。
I<sup>2</sup> R P
10000 0.000537 5.37瓦
当在120伏交流电压下发射100安培时，损耗5.37瓦，效率为99.91％，因为在12000瓦中，每个垫上损耗5.37瓦，总损耗为10.74瓦。
图9描绘了根据本发明的电容式充电系统板和垫部署的一个实施例，包括根据本文公开的实施例的帧外壳200、“A”垫201和“B”垫202。为了清楚起见，在203处示出了进入发射器充电板的外部交流电源，并且未示出发射器交流输入端子。需要注意的是，对于交流输入，极性并不重要。因此，在用于给电动车辆(EV)充电的无线充电系统的实施例中，例如，EV可以面向任意方向进入无线充电系统，从而进一步简化充电。在一个实施例中，RFID传感器可位于车辆侧的两个充电垫之间的中心，以确保正确对齐。然后，带有充电垫的单个板或多个板被安装在自动定位伺服系统安装支架300上，如图10所示。
图10描绘了本发明的电容式充电系统自动定位伺服系统的一个实施例，其可以是黑牛全自动电动汽车千斤顶，包括电容式充电系统板安装支架300以及由计算机激活和控制的无线远程伺服控制301，其根据所公开的实施例接收信用卡并使能分配功率。例如，当电动车辆(EV)及其接收器侧充电垫与发射器侧充电垫接近时，例如当EV在充电站上的发射器充电垫上行驶时，自动定位伺服系统300升高和/或移动发射器侧充电垫，使其与接收器侧充电垫接触，以实现感应充电。在一个或多个实施例中，充电垫不需要接触，只是彼此接近，以便发生从磁场转移能量。
在至少一个实施例中，在“A”和“B”垫201,202上有接近传感器，从而充电站的计算机控制器在信用卡被验证时可感知接近性并自动传输功率。如上文所述，如果电动车辆(EV)上有高能量密度电容器，则整个传输可能不到两分钟。如果EV相反具有锂离子电池，这个工艺可能需要很多分钟甚至到几个小时。
因此，本发明实现以下一个或多个优点。本发明的电容器提供了一种用比先有技术电容器具有显著更高能量密度的快速充电、长寿命电容器替换缓慢充电、短寿命电池的解决方案。本发明形成电容器的方法利用原子层沉积(ALD)、金属氧化物化学气相沉积(MOCVD)、3D打印和其它半导体制造设备来产生亚微米薄层，以及用于12英寸晶圆和/或矩形基底的能力，如用于LED面板的那些，其有很多代次和尺寸。晶圆也可被锯成任何形状或尺寸，并被堆叠到任何高度。本发明采用这些先进技术，利用大量ALD机器阵列和其它标准半导体制造机械、3D打印和机器人自动化，每天应用多达数千层，以批量生产任何形状或尺寸的本发明的电容器。
本发明所设想的超介电材料(UDM)层还可以用作耦合充电垫的缓冲层，作为电容式无线充电系统的一部分。每个充电垫可被涂覆上高“k”电介质，其在将发射器垫耦合到接收器垫时起缓冲作用，并且高“k”介电材料向接收器垫提供高电容耦合，其显著降低电容电抗。
虽然结合具体实施例对本发明进行了详细描述，但根据上述描述，本领域技术人员显然会看到许多替代、修改和变化。因此，设想所附权利要求将包含任何此类替代、修改和变化，而不背离本发明的真实范围和精神。

Claims (35)

1.一种高能量密度电容器，包含：
基底；
正电极；
负电极；
在所述正电极和负电极之间布置有至少一个中间介电层，所述至少一个中间介电层包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂；以及
沉积在所述至少一个中间介电层每一个上的金属层。
2.根据权利要求1所述的电容器，其中所述高表面积介电材料的介电常数在约109至约1011的范围内。
3.根据权利要求1所述的电容器，其中所述极性有机溶剂是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。
4.根据权利要求1所述的电容器，其中所述极性有机溶剂是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。
5.根据权利要求1所述的电容器，其中所述中间介电层是通过使用半导体制造技术将所述高表面积介电材料、电解质和极性有机溶剂的顺序层沉积到所述基底上而形成的。
6.根据权利要求1所述的电容器，还包含：
多个串联部署的中间介电层和金属层以形成堆叠；以及
至少一个内部钝化层被布置在每个堆叠之间。
7.根据权利要求1所述的电容器，其中所述至少一个中间介电层由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
8.根据权利要求1所述的电容器，其中所述至少一个中间介电层的偶极子与充电时在正负电极之间产生的电场相反方向对准。
9.根据权利要求1所述的电容器，其中所述正负电极沿着所述电容器的高度延伸，并且在其边缘周围具有交替部署的极，并且其中所述正负电极被附接至在每个所述至少一个中间介电层上沉积周期性的金属层。
10.一种形成高能量密度电容器的方法，包含：
提供基底；
提供布置在所述基底上的正电极；
提供与所述正电极相对的负电极；
提供布置在所述正电极和负电极之间的至少一个中间介电层，所述至少一个中间介电层包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂；以及
提供沉积在每个所述至少一个中间介电层上的金属层。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，提供布置在所述正电极和负电极之间的至少一个中间介电层的所述步骤，还包含：
使用半导体制造技术将高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂的顺序层沉积到所述基底上。
12.根据权利要求10所述的方法，还包含：
提供多个被串联部署的中间介电层和金属层以形成堆叠；以及
提供至少一个内部钝化层，被布置在每个堆叠之间。
13.根据权利要求10所述的方法，还包含：
对准所述至少一个中间介电层的偶极子，使得所述极化介电层对抗充电时在所述正负电极之间产生的电场。
14.根据权利要求10所述的方法，还包含：
放置所述正负电极以沿着所述电容器的高度延伸，使得所述电极的极在其边缘周围交替部署；以及
将所述正负电极附接到沉积在每个所述至少一个中间介电层上的周期性金属层。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述极性有机溶剂是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。
16.根据权利要求10所述的方法，其中所述极性有机溶剂是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。
17.一种电容式无线充电系统，包含：
外部交流电源；
发射器充电板，包含涂覆有介电材料层的发射器垫和用于从外部交流电源接收的交流电源产生磁场的发射线圈，所述外部交流电源连接到所述发射器充电板；以及
电器设备，包含用于向所述电器设备供电的存储电容器，包含涂覆有介电材料层的接收器垫的接收器充电板，用于从充电板发射线圈产生的磁场接收能量的接收线圈，以及用于将从所述磁场接收到的能量转换为电流以便对所述存储电容器充电的控制模块。
18.根据权利要求17所述的无线充电系统，还包含布置在所述发射器充电板和电气设备接收器充电板之间的RFID传感器，所述RFID传感器适于确保所述充电板的正确对准。
19.根据权利要求17所述的无线充电系统，其中涂覆每个所述发射器垫和接收器垫的所述介电材料层包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂。
20.根据权利要求19所述的无线充电系统，其中所述高表面积介电材料的介电常数在约109至约1011的范围内。
21.根据权利要求19所述的无线充电系统，其中所述极性有机溶剂是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。
22.根据权利要求19所述的无线充电系统，其中所述极性有机溶剂是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。
23.根据权利要求19所述的无线充电系统，其中所述介电层是由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
24.权利要求17所述的无线充电系统还包含在所述充电垫上的接近传感器，用于检测所述电气设备何时接近所述发射器充电板。
25.一种用于电气设备的电容式无线充电系统的充电垫，所述充电垫涂覆有介电层，其包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂，所述充电垫用于布置在电容式无线充电系统的发射器侧或接收器侧充电板上或内部。
26.根据权利要求25所述的充电垫，其中所述高表面积介电材料的介电常数在约109至约1011的范围内。
27.根据权利要求25所述的充电垫，其中所述极性有机溶剂是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。
28.根据权利要求25所述的充电垫，其中所述极性有机溶剂是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。
29.根据权利要求25所述的充电垫，其中所述介电层是由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
30.一种对电容器进行无线充电的方法，包含：
提供发射器充电板，包含涂覆有介电材料层的发射器垫和用于从外部交流电源接收的交流电源产生磁场的发射线圈；
提供电器设备，包含用于向电器设备供电的存储电容器，包含涂覆有介电材料层的接收器垫的接收器充电板，用于从所述充电板发射线圈产生的所述磁场接收能量的接收线圈，以及用于将从所述磁场接收到的能量转换为电流以便对所述存储电容器充电的控制模块；
将所述电器设备接收器充电板与所述发射器充电板对准；
向所述发射器充电板提供外部交流电源；
通过所述发射线圈从所述交流电源产生所述磁场；
在所述接收线圈处从所述磁场接收能量；以及
把从所述磁场接收的能量转换成电流以便给所述电容器充电。
31.根据权利要求30所述的方法，其中涂覆每个所述发射器垫和接收器垫的所述介电材料层包含高表面积介电材料、电解液和极性有机溶剂。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述高表面积介电材料的介电常数在约109至约1011的范围内。
33.根据权利要求31所述的方法，其中所述极性有机溶剂是从包含NH3、(CH3)3COH、C3H8O、C2H6O、CH3OH、CH3COOH和H2O的组中选择的极性质子溶剂。
34.根据权利要求31所述的方法，其中所述极性有机溶剂是从包含C3H6O、(CH3)2NCH、CH3CN、C2H6OS、CH2Cl2、C4H8O和C4H8O2的组中选择的极性非质子溶剂。
35.根据权利要求31所述的方法，其中所述介电层是由约3％至约20％电解质、约3％至约20％介电材料以及约60％至约94％极性有机溶剂的摩尔百分比组成。
CN201880049999.5A 2017-05-26 2018-05-25 高能量密度电容器及无线充电系统 Active CN111052279B (zh)

Applications Claiming Priority (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201762511727P 2017-05-26 2017-05-26
US201762511754P 2017-05-26 2017-05-26
US62/511,754 2017-05-26
US62/511,727 2017-05-26
US201762556640P 2017-09-11 2017-09-11
US62/556,640 2017-09-11
US15/942,705 2018-04-02
US15/942,705 US20190035562A1 (en) 2017-05-26 2018-04-02 High energy density capacitor system and method
PCT/US2018/034683 WO2018218164A1 (en) 2017-05-26 2018-05-25 High energy density capacitor and wireless charging system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111052279A true CN111052279A (zh) 2020-04-21
CN111052279B CN111052279B (zh) 2022-07-26

Family

ID=69669560

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880049999.5A Active CN111052279B (zh) 2017-05-26 2018-05-25 高能量密度电容器及无线充电系统

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3631825A4 (zh)
CN (1) CN111052279B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1276905A (zh) * 1997-08-15 2000-12-13 薄膜电子有限公司 一种铁电体数据处理器件
CN100563039C (zh) * 2004-03-09 2009-11-25 京瓷株式会社 叠层型压电元件及其制造方法
CN101826394A (zh) * 2009-02-24 2010-09-08 源泰投资股份有限公司 磁性电容器
CN101908417A (zh) * 2010-05-25 2010-12-08 保定维特瑞交通设施工程有限责任公司 一种双电荷层电容器及其制备工艺
CN102804303A (zh) * 2010-01-09 2012-11-28 戴斯分析公司 包括固体多层电解质的能量储存装置
US20140063689A1 (en) * 2012-09-04 2014-03-06 Christopher Lorne Blair Dielectric material to enhance capacitance of a capacitor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5119154A (en) * 1990-12-03 1992-06-02 Micron Technology, Inc. Ferroelectric capacitor and method for forming local interconnect
RU2005130532A (ru) * 2003-03-05 2006-06-10 Уиль м Б. Мл. ДАФФ (US) Накопитель электрического заряда, имеющий повышенную мощность
US20080203853A1 (en) * 2005-07-26 2008-08-28 Carsten Schuh Method For Producing a Monolithic Piezo Actuator With Stack Elements, Monilithic Piezo Actuator With Stack Elements, and Use of the Piezo Actuator
US7990679B2 (en) * 2006-07-14 2011-08-02 Dais Analytic Corporation Nanoparticle ultracapacitor
US8975791B2 (en) * 2008-09-12 2015-03-10 Imec Patterned electret structures and methods for manufacturing patterned electret structures
US9041148B2 (en) * 2013-06-13 2015-05-26 Qualcomm Incorporated Metal-insulator-metal capacitor structures
US9595398B2 (en) * 2013-08-30 2017-03-14 Corning Incorporated Low resistance ultracapacitor electrode and manufacturing method thereof

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1276905A (zh) * 1997-08-15 2000-12-13 薄膜电子有限公司 一种铁电体数据处理器件
CN100563039C (zh) * 2004-03-09 2009-11-25 京瓷株式会社 叠层型压电元件及其制造方法
CN101826394A (zh) * 2009-02-24 2010-09-08 源泰投资股份有限公司 磁性电容器
CN102804303A (zh) * 2010-01-09 2012-11-28 戴斯分析公司 包括固体多层电解质的能量储存装置
CN101908417A (zh) * 2010-05-25 2010-12-08 保定维特瑞交通设施工程有限责任公司 一种双电荷层电容器及其制备工艺
US20140063689A1 (en) * 2012-09-04 2014-03-06 Christopher Lorne Blair Dielectric material to enhance capacitance of a capacitor

Also Published As

Publication number Publication date
CN111052279B (zh) 2022-07-26
EP3631825A1 (en) 2020-04-08
EP3631825A4 (en) 2021-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11600452B2 (en) Vacuum-capacitor method and apparatus
CN203761141U (zh) 闪电能量的存储系统
CN1868141A (zh) 再充电方法和相关设备
US11508533B2 (en) High energy density capacitor system and method
JP2013080937A (ja) エネルギ蓄積デバイス
KR101274991B1 (ko) 커패시터용 질소도핑 그래핀 전극의 제조방법, 이를 이용한 전극 및 전기 이중층 커패시터
US10102977B2 (en) High energy density capacitor with micrometer structures and nanometer components
US9245695B2 (en) Integration of energy storage devices onto substrates for microelectronics and mobile devices
CN205829493U (zh) 一种基于压电发电的能量收集装置及控制系统
CN107634250A (zh) 用于制造用于电池单池的电极单元的方法和电极单元
CN104901398B (zh) 非接触式充电设备和非接触式电池设备
CN110165279A (zh) 一种二次电池
CN101656433A (zh) 故障保护装置
CN111052279B (zh) 高能量密度电容器及无线充电系统
CN104347793A (zh) 微孔压电驻极体薄膜组件卷对卷连续极化装置及其方法
CN106099197A (zh) 全固态金属离子电池及其制备方法、电动车
US20110170233A1 (en) Chip-type electric double layer capacitor cell and method of manufacturing the same
US8913366B1 (en) Virtual photon power converter
WO2018218164A1 (en) High energy density capacitor and wireless charging system
US20110242726A1 (en) Energy storage device
US20110170234A1 (en) Electric double layer capacitor
US20110013339A1 (en) Assembly of magnetic capacitor with packaging
CN101741105A (zh) 电源系统及其检测方法
CN105553055A (zh) 动力电池组的主动均衡装置
US20180269699A1 (en) Apparatus for charging and discharging battery cell comprising insulation mask

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
REG Reference to a national code

Ref country code: HK

Ref legal event code: DE

Ref document number: 40026236

Country of ref document: HK

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant